Энергетически эффективные грузовые платформы в автоматизированных линиях по пакетированию грузов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

-►

МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК621.865.8 (075.8)

О. В. Пухова

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ ЭФФЕКТИВНЫЕ ГРУЗОВЫЕ ПЛАТФОРМЫ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЛИНИЯХ ПО ПАКЕТИРОВАНИЮ ГРУЗОВ

В современных автоматизированных линиях по пакетированию грузов для формирования пакетов используются пакетирующие машины, а также робототехнические комплексы (РТК). В РТК, как правило, предусмотрены технологические процессы, в которых робот выполняет перемещение грузов на поддон (паллету), расположенный на транспортной системе для горизонтального перемещения готового пакета. При этом граф рабочих операций обычно состоит из отрезков прямых линий. Очень часто в таких РТК используют манипуляторы, построенные на основе трех вращательных пар (ВВВ). Утакого решения есть два существенных недостатка:

высокое энергопотребление, обусловленное диссипацией энергии в приводах плеча и предплечья манипулятора [1];

высокая стоимость промышленных роботов данного типа.

Этим объясняется низкая применяемость РТК в области пакетирования. Анализ применения промышленных роботов для осуществления операций по пакетированию грузов показывает, что в эта область использования роботов составляет около 5 %

В то же время сама операция пакетирования является массовой и практически стандартной для большинства грузов. С учетом существующих стандартов [2, 3] все пакеты с грузами имеют ограниченный ряд размеров, соответствующий стандартным поддонам 800x1200 и 1000x1200 мм. Высота пакетов ограничена размером 1200 мм, но при массе пакета, не превышающей 1200 кг, высота пакета может быть увеличена до 1800 мм.

Перечисленные выше соображения показывают, что для операции пакетирования целесообразна разработка специализированных робо-

тотехнических комплексов с одновременным решением задачи снижения энергопотребления.

Еще в 70-х годах XX века шведская компания ЯЕТАВ предложила использовать в робо-тотехнических комплексах для пакетирования грузовые платформы, что позволяло применять роботы, имеющие одну вращательную и две поступательные пары (ВПП) с высотой вертикального перемещения Нв, которая определялась разницей максимальной и минимальной высот пакета и величиной технологического перемещения схвата. При этом каждый последующий слой груза укладывался на предыдущий после опускания платформы на высоту, равную высоте одного слоя грузов. Однако проблема снижения энергопотребления в это время не стояла так остро, и внимание конструкторов осталось в стороне от того, что при максимальных нагрузках на привод платформы он работает в тормозном режиме, а при подъеме пустой платформы — в двигательном, а это приводит к большим потерям энергии на преодоление диссипа-тивных сил.

Разработаны грузовые платформы с рекуператорами на базе пружинно-пневматического и пневматического аккумуляторов, которые позволяют повысить энергетическую эффективность как самой платформы, так и всего РТК в целом.

На рис. 1 представлена схема платформы с рекуператором энергии на базе пружинно-пневматического аккумулятора.

Платформа У, на которую устанавливаются грузы 2, перемещается в вертикальном направлении вниз вдоль направляющих 3. Платформа соединена с пружинами 4, а также штоком пневматического цилиндра 5. Бесштоковая полость

б 7

б)

АЧЧ- ЛЧЧ- ЛЧ\- - >.,.-Л.-л \1.-.

Рис. 1. Схема платформы с рекуператором энергии на базе пружинно-пневматического аккумулятора

пневмоцилиндра 5 соединена с ресивером 6через пневмораспределитель 7. Пневматический цилиндр оснащен фиксатором <?, а также датчиками положения 9.

Работа платформы происходит следующим образом. В начальный момент формирования пакета платформа, закрепленная фиксатором, находится в крайнем верхнем положении. Распределитель 7находится в положении, показанном на рис. 1, а. После завершения укладки первого слоя грузов платформа снимается с фиксаторов и происходит ее вертикальное перемещение вниз (рис. 1, б). При этом поршень пневматического цилиндра 5 перемещается вниз вместе с платформой. После завершения вертикального перемещения система управления подает сигнал, по которому срабатывает фиксатор пневмоцилиндра. Далее аналогичным образом происходит укладка второго, третьего, четвертого и пятого слоев груза. Шестой слой укладывается без перемещения платформы. После завершения процесса формирования пакета система управления переключает распределитель 7в положение, показан-

ное на рис. 1, в, и бесштоковая полость пневматического цилиндра 5 соединяется с ресивером 6. Далее происходит съем пакета с платформы, и под действием силы упругости пружин платформа начинает перемещаться вверх (рис. 1, в). При этом сжимаемый воздух из бесштоковой полости пневматического цилиндра 5 поступает в ресивер 6. Далее процесс формирования пакета повторяется.

Для обеспечения возможности использования для укладки грузов на платформу манипулятора с минимальным обслуживаемым объемом желательно, чтобы уровень, на котором происходит укладка грузов, оставался постоянным при укладке всех слоев. Поэтому суммарная жесткость пружин определяется из условия, что при установке одного слоя грузов на платформу ее перемещение составляет высоту одного слоя грузов:

с = -

К '

(1)

где тс — масса одного слоя грузов, Ас — высота одного слоя грузов

При укладке грузов перемещение платформы под действием силы тяжести определяется выражением

тИ„

г = -

тп

(2)

где т — текущая масса нагруженной платформы.

Однако варианты реализации перемещения платформы под действием силы тяжести грузов могут быть различны, в их числе следующие:

1. Перемещение платформы происходит при укладке каждого отдельного груза. В начальный момент времени грузов на платформе нет. Начальное положение платформы определяется выражением

^А =

(3)

При установке на платформу груза массой тф она переместится вниз на величину

9, =

(4)

тг

При этом в системе возникнут затухающие колебания вида

(5)

где Д) — начальная амплитуда колебаний, которая равна Лг,; 5— коэффициент затухания,

определяемый выражением 5 =

2т,

-, где а — ко-

ф

эффициент сопротивления среды; ю — частота

затухающих колебаний, ю =

-52

т,

ф

При массе груза тгр = 20 кг время затухания колебаний составляет / = 2,5 с, что не приведет к потере производительности, так как для пакетирующих манипуляторов, как правило, цикл работы составляет около шести секунд.

Отметим, что система управления манипулятором, устанавливающим грузы на платформу, может быть построена так, что перемещение груза манипулятором продолжается до столкновения проносимого груза с предыдущим или с упором. При описанной выше последовательности опускания платформы такая реализация технологического процесса укладки грузов манипулятором затруднительна, поскольку при

укладке последних грузов слой уже опустится на достаточную высоту и площадь столкновения будет недостаточна.

2. Перемещение платформы происходит при укладке каждого слоя грузов. При установке на платформу слоя грузов она переместится вниз на величину

9Х=1%,. (6)

При массе слоя тс = 200 кг время затухания колебаний составит более 7 с. Такое время затухания приводит к потере производительности РТК. Поэтому целесообразно производить захват платформы в тот момент, когда она переместится на высоту одного слоя грузов. Недостаток такого подхода в том, что захват платформы производится на максимальной скорости.

3. Фиксация платформы в окрестности точки, где скорость равна нулю. Первое перемещение платформы происходит после установки первого слоя грузов. При этом фиксация платформы происходит в момент времени, когда она переместится на высоту двух слоев груза, при этом скорость минимальна. После завершения укладки второго слоя перемещения платформы не происходит. После укладки третьего слоя платформа снова снимается с фиксаторов и ее фиксация осуществляется при опускании платформы на высоту двух слоев груза при минимальной скорости. Далее происходит установка еще двух слоев груза и при необходимости процесс повторяется.

Результат сравнения разных вариантов технологии укладки груза приведен в таблице.

Найдем скорость перемещения платформы вверх после снятия с нее пакета и снятия платформы с фиксаторов. Для этого запишем уравнение энергетического баланса системы

П = Т +П + Р + А + А

1 *тах * пл пл -*^упр ^ ^сж ^ ^дис1

(7)

где Птах — потенциальная энергия пакета, запасенная в пружинах; — текущая кинетическая энергия пустой платформы; Пп1 —текущая потенциальная энергия пустой платформы; Е — текущее значение потенциальной энергии растяжения пружины; Асж — работа, затрачиваемая сжатие газа в бесштоковой полости; Ашс — работа, затрачиваемая на преодоление диссипативных сил.

Примем, что процесс сжатия газа в пневмоци-линдре является изотермическим. Тогда работа,

Сравнительный анализ рассмотренных вариантов последовательности перемещений платформы

Название характеристики Значение характеристики в разных вариантах технологии укладки грузов манипулятором

Перемещение после установки каждого груза Послойное перемещение платформы Послойное перемещение с улавливанием Перемещение после укладки двух слоев

Обслуживаемый объем манипулятора минимальный минимальный минимальный увеличенный

Работа манипулятора по упорам невозможна возможна возможна возможна

Время затухания колебаний незначительное значительное - -

Скорость, на которой производится улавливание платформы - - максимальная минимальная

затрачиваемая на сжатие газа, определяется выражением

V

V ту

(8)

сг~

т V

+ 7 тах 1 ^ д пр

)Х

X 1п

7 + 7

тах дпр

дпр

-г

сг"

(9)

- Рщ ^(¿тах + 7д пр )

+

С \

+

тах дпр

V Дпр у

(10)

где Р{у V,о — соответственно начальное давление и объем пневмоцилиндра, УТ — текущий объем пневмоцилиндра.

Подставляя в формулу (7) выражение (8), а также выражения для текущих значений других слагаемых и не учитывая силы трения, получаем

Откуда начальное давление в системе может быть выражено как

сг„

"/"пл^п

+ г

тах дпр

)1п

/ Л '

7 +7 тах дпр

дпр

(Н)

где г — текущая величина перемещения платформы; гтах — максимальное растяжение пружины; 2дпр — приведенная добавочная высота (введена для удобства расчетов и равна условной длине ресивера, если бы его диаметр был равен диаметру поршня пневмоцилиндра); £ — площадь поршня пневмоцилиндра; у — текущая скорость пустой платформы.

Начальное значение давления в системе выбрано из условия, что в конечный момент времени, когда платформа приходит в исходное положение, ее скорость равна нулю, а потенциальная энергия пружины полностью переходит в работу сжатия воздуха и подъема платформы. Тогда в конечный момент времени уравнение энергетического баланса (9) может быть записано так:

Из выражения (11) следует: чем больше величина приведенной добавочной высоты цилиндра, т. е. объем добавочного ресивера, тем большим должно быть начальное давление в системе.

Конечное давление после одного цикла работы платформы можно выразить так:

Р2=Ро

7 + 7 шах р

(12)

Из выражения (12) можно найти, что при использовании стандартного цилиндра давлением до 10 Бар приведенная добавочная высота должна составлять около 0,4 м. При использовании специальных цилиндров с повышенным давлением может быть выбрана меньшая величина добавочного объема.

Из уравнения (9) можно получить скорость платформы при снятии ее с фиксаторов после отвода сформированного пакета:

и =

т

С 2

сгтах с(гтах-г)

--тяг--

, 2 2

V

2

II

ВДгтах+г )1п

г тах+ г

дпр

гтах.+ гпп„-г

V дпр //

• (13)

При переходе потенциальной энергии груза в энергию растянутой пружины неизбежны ее потери на преодоление диссипативных сил. Потери энергии будут также и при переходе потенциальной энергии пружины в энергию сжатого воздуха. Таким образом, многократный переход энергии из одного вида в другой существенным образом влияет на КПД рекуператора энергии. В связи с этим предложено отказаться от промежуточного элемента в виде пружины и соединить платформу непосредственно с пневматическим цилиндром.

Схема грузовой платформы с рекуператором энергии на базе пневматического аккумулятора представлена на рис. 2.

Грузовая платформа 7 соединена со штоком пневматического цилиндра 2 и перемещается в вертикальном направлении по направляющим 3. На пневматическом цилиндре /установлены датчики положения 4, 5, один из которых (4) контролирует верхнее положение поршня пневмоци-линдра, а другой (5) — его нижнее положение. На пневмоцилиндре 7 установлен фиксатор 6

в виде пневмоцилиндра, вход которого соединен с выходом ресивера 7через пневмораспредели-тель 8. Ресивер соединен также с пневмосетью робота. Бесштоковая область пневмоцилиндра 7 соединена с распределителями 9.1 и 9.2, которые в свою очередь последовательно соединены с ресиверами 10.1 и 10.2 распределителями 11.1 и 77.2, а таже ресивером 7.

Работа платформы происходит следующим образом: в начальный момент времени пустая платформа поднята на максимальную высоту и фиксатор бнаходится в положении, когда шток пневматического цилиндра 2 зафиксирован. Клапаны 9.1, 9.2 находятся в закрытом состоянии. При такой конфигурации пневмоцепи происходит укладка первого слоя грузов.

После окончания укладки первого слоя грузов пневматический цилиндр снимается с фиксатора, и платформа под действием силы тяжести грузов перемещается вниз. В тот момент, когда она опускается на высоту, равную высоте одного слоя грузов, датчик 12 подает в устройство управления сигнал, по которому устройство управления включает фиксатор 6, и пневмоци-линдр Доказывается в зафиксированном положении. Далее система управления подает сигнал манипулятору для начала укладки следующего слоя. После завершения укладки третьего слоя открывается распределитель 9.7, и к пневмосис-теме подключается добавочный ресивер 10.1. Подключение данного ресивера позволяет при-

12

В пневмосистему робота

К @

11.2

10.2

Рис. 2. Схема грузовой платформы с рекуператором энергии на базе пневматического аккумулятора

вести характеристику перемещения платформы к линейной. После перемещения платформы снова происходит фиксация штока пневмоци-линдра и начинается укладка пятого слоя грузов. При этом распределитель 9.2 переходит в открытое состояние, а кпневмоцепи подключается добавочный ресивер 10.2. После окончания укладки пятого слоя происходит перемещение платформы на величину одного слоя грузов. Укладка шестого слоя грузов осуществляется без перемещения платформы. Далее распределители 9.1 и 9.2 переходят в закрытое состояние и добавочные ресиверы 10.1 и 10.2 отключаются от пневмоцепи. Затем устройство управления переводит распределители 77.7 и 77.2в открытое состояние. При этом осуществляется стравливание воздуха из ресиверов 10.1 и 10.2 в ресивер 7. После выравнивания давления в системе, ресиверы 10.1 и 10.2 отключаются от ресивера 7. Ресивер 7в свою очередь соединен с пневмосисте-мой манипулятора, а также с пневмоцилиндром 2. После снятия сформированного пакета с платформы система управления переводит распределитель 8 в открытое состояние, и пустая платформа перемещается вверх. При достижении платформой верхнего положения система управления инициирует фиксацию штока. Далее цикл формирования нового пакета повторяется. Оставшийся в ресивере 7сжатый воздух используется для осуществления горизонтальных перемещений манипулятора.

Определим конструктивные параметры грузовой платформы и рекуператора. Запишем уравнение энергетического баланса при опускании платформы с грузами

^ тах = ^дис > (14)

где Птах — потенциальная энергия перемещаемых грузов; Асж — работа, затрачиваемая на сжатие газа в бесштоковой полости; Адас — работа, затрачиваемая на преодоление диссипа-тивных сил.

Без учета диссипативных сил можно записать:

= Рк Ук 1п

(15)

где Р — текущее давление сжатого воздуха в системе; Ук — конечный объем пневмосистемы, Р0 — начальное давление в пневмосистеме; Рк — конечное давление в пневмосистеме.

Выберем начальное давление Р0 из условия, что при установке на платформу трех слоев груза ее перемещение составляет заданную величину г3. Для этого подставим заданные параметры в уравнение (15) и получим

Ъ)

(16)

где Н— максимальная высота перемещения платформы; Р}к — давление в системе после установки на платформу трех слоев груза, которое

определяется выражением =

+ р

Из уравнения (16) определим значение начального давления в системе, которое позволит при установке нескольких слоев груза переместить платформу в заданное положение:

г3к

(17)

где а3=^(В-г3)-

Объемы ^ ресиверов 10.1 и 10.2 определяются исходя из необходимости обеспечить заданный шаг перемещения платформы на следующих этапах ее работы по формуле

Уы=-

т^Аг

' Р л

Гц

\Рш )

ы-ь

(18)

где тI — масса платформы на /-м шаге перемещения; А — заданная высота перемещения платформы; — высота платформы в конце перемещения на /-м шаге работы; Уы_{ — объем ресивера, подключенного на предыдущем шаге.

Рассмотренные в статье платформы, оснащенные рекуператорами, позволяют повысить энергетическую эффективность технологического оборудования для пакетирования грузов. Повышение энергетической эффективности осуществляется в силу следующего:

опускание платформы происходит без применения приводов за счет потенциальной энергии грузов, накопленной ими при осуществлении технологического процесса;

потенциальная энергия грузов запасается в пружинно-пневматическом или пневматическом аккумуляторе энергии;

запасенная в аккумуляторе энергия используется для возврата пустой платформы в исходное положение, а также передается в пневмосис-тему манипулятора РТК.

Платформы с предложенными рекуператорами могут быть рекомендованы для применения не только в РТК, но и в пакетоформирующих машинах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Жавнер, В.Л. Погрузочные манипуляторы [Текст] / В.Л. Жавнер, Э.И. Крамской; Под ред. проф. А.И. Колчина,— Л.: Машиностроение (Ле-нингр. отделение), 1975.

2. ГОСТ 9078-84 (СТ СЭВ 317-76), Поддоны плоские. Общие технические условия [Текст].

3. ГОСТ 26663-85. Пакеты транспортные, формирование с применением средств пакетирования. Общие технические требования [Текст].

УДК 681.516.73.001.57

Ю.Н. Кожубаев, О.В. Прокофьев, В.И. Филимонов

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОТОЧНО-ТРАНСПОРТНОИ СИСТЕМЫ ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ

Широкое использование конвейерного транспорта на шахтах и карьерах — один из важных факторов повышения технического уровня и эффективности функционирования горного производства. В последнее время на большинстве горных предприятий переходят на поточное транспортирование горной массы. Рост грузопотоков и длин транспортирования обусловил необходимость создания высокопроизводительных ленточных конвейеров большой длины и мощности с применением дорогих синтетических и резинотросовых лент. Это приводит к значительному увеличению стоимости конвейерной установки. В настоящее время коэффициент использования конвейерных установок на горных предприятиях составляет в среднем 50—70 % по производительности и 60—70 % по времени. Такое неэффективное использование конвейерных установок в чиле прочего связано с тем, что поступающие от горных машин грузопотоки характеризуются значительной неравномерностью по амплитуде и частоте поступления груза. Таким образом, проблема повышения экономической эффективности конвейерных установок при их эксплуатации на горных предприятиях весьма актуальна. Один из путей решения данной задачи сводится к согласованию режимов работы системы ленточных конвейеров с параметрами поступающего на него грузопотока.

Исследованию шахтных грузопотоков и определению их характеристик посвящены работы Л.Г. Шахмейстера [1], О.М. Зарецкого [2], В.А. Пономаренко [3], Р.В. Мерцалова [4]. Карьерные грузопотоки исследовались И.А. Шпа-куновым, Е.М. Козловым и др.

Многочисленные наблюдения [5 и др.], выполненные на шахтах и карьерах, показали, что грузопоток представляет собой процесс, состоящий из многократно чередующихся в течение смены периодов поступления полезного ископаемого и его отсутствия, причем длительность периодов случайна. Отсутствие груза на конвейере бывает связано с остановкой горной машины для осмотра, выполнения различных технологических операций, устранения технических неисправностей и т. д. Особенно неравномерны грузопотоки на угольных шахтах.

Под грузопотоком понимают количество груза, перемещаемого в единицу времени. Грузопоток, поступающий на конвейер, находится по формуле

(!)

ш

где /я^Д/) — масса горной породы.

Грузопоток с учетом скорости ленты у(/) формирует на ленте линейную плотность р(х,0 , кг/м, причем в начале ленты она равна